寶馬M240i 7月上市 這些碳纖維技術你了解多少？

寶馬M240i車型今年7月初已正式上市，全新M240i在造型上與普通版車型基本一致，不同的是，新車在普通版車型基礎上加入大量碳纖維組件，進一步提升了性能和視覺美感度。

新車方向盤采用碳纖維+Alcantara材質，前進氣格柵采用熏黑處理，在后視鏡、側裙、后擴散器、后尾翼等位置均增加了碳纖維材質組件。

動力方面，新車依舊搭載一臺3.0T直列六缸發(fā)動機，最大功率250kW(340Ps)，最大扭矩為500Nm，傳動方面匹配的是一臺6速手動或8速自動變速箱，在擁有流暢外觀的同時兼具了不凡的實力。

寶馬作為車用碳纖維技術的全球領跑者，率先開啟碳纖維增強復合材料（CFRP，下文簡稱為碳纖維材料）在汽車領域的應用模式。在此次M240i車型推出之前，早在2007年寶馬就確定了持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，并在不久后宣布將碳纖維材料引入汽車制造材料主流領域。2010年，寶馬宣布與SGL合資建立碳纖維工廠，2013年7月首發(fā)碳纖維寶馬i3純電動車，同年9月推出碳纖維i8混合動力超跑，并在2014年底將i3和i8的碳纖維技術應用于寶馬7系，使用碳纖維材質底盤；此后又將寶馬7系輕量化技術應用于新一代寶馬5系和3系……

碳纖維材料究竟為何會讓寶馬公司如此癡迷，對于碳纖維材料和技術你又了解多少？今天我們就一起來了解下碳纖維材料及創(chuàng)新技術。
　　碳纖維材料性能優(yōu)異卻面臨諸多挑戰(zhàn)
隨著全球汽車保有量及產(chǎn)銷量與日俱增，在能源及環(huán)境保護的迫切要求下，各國政府對汽車油耗及廢氣排放政策日趨收緊，在嚴峻的形勢下，汽車制造商必須通過使用多種創(chuàng)新技術來達到迫在眉睫的節(jié)能減排降耗的要求。對傳統(tǒng)汽車而言，使用清潔燃料、輕量化、提高發(fā)動機及驅動系統(tǒng)的效率，減小風阻是節(jié)能減排最有效的幾大途徑。

碳纖維材料作為兼具輕量化、安全性、舒適度和可靠性等優(yōu)異性能的輕量化材料，在汽車車體及零部件中逐步得到廣泛應用。

碳纖維材料的優(yōu)勢包括：比強度高，是最佳輕質高強車體材料；軸向強度、模量高，無蠕變，可制作傳動軸；正面碰撞時成無數(shù)細小碎片，能吸收大量的撞擊能（4倍于鋼結構），具有高安全性；兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟性，可加工性強；在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性好壽命長且維修費用低；冷熱膨脹系數(shù)小，極端氣候條件下尺寸穩(wěn)定性高；活性碳纖維超級電容器可提高能量密度又可降低成本，適用于電動車制動；復合材料容易成型，制得滿足空氣動力學原理及美觀需求的外形曲面表皮光滑美觀，制造車身可以省去高成本、繁瑣的涂裝工藝；可將不同零件一體成型，便于汽車結構的模塊化、整體化制造。

由上述顯而易見，碳纖維材料卓越的性能已甩出其它材料幾條大街，如同散落在懸崖下的奇珍異寶，遠遠能看到，但因太過險峻，想要獲取為我所用卻又十分不易。在汽車制造領域，碳纖維材料也是如此，其目前面臨的挑戰(zhàn)如下：
成本太高。同樣是1公斤材料，鋼材需0.8-1美金，鋁材需2.4-2.6美金，樹脂需5-15美金，碳纖維則高達20-30美金，幾乎是鋼材的20倍。
生產(chǎn)循環(huán)周期長，加工成本高。傳統(tǒng)金屬沖壓每個部件加工時間平均為60s，而碳纖維材料和熱固性樹脂的固化交聯(lián)時間達數(shù)小時。
設計及工藝開發(fā)難度大。對于碳纖維材料而言，鋪層數(shù)量、角度、層間結合、零部件集成方式都需要充分考慮，同時，由于應力集中，材料連接部位力學分布、連接位置及強度均需復雜的設計來確保考慮周全。
材料回收困難。由于汽車報廢零部件基本上需要回收再利用，但熱固性樹脂碳纖維材料不溶不熔，很難做到回收再使用。
　　碳纖維應對多重挑戰(zhàn)的創(chuàng)新技術
針對碳纖維生產(chǎn)成本太高這一問題，目前業(yè)內(nèi)分別采用了改性瀝青、木質素制備、聚烯烴制備、高強PANCF原絲、節(jié)能加工能源等方面技術來降低成本。日本三菱公司采用裂解輪胎冷凝物為原料制備優(yōu)質瀝青，規(guī)模化生產(chǎn)廉價高性能瀝青基碳纖維及納米碳管。美國橡樹嶺國家實驗室從紙漿廢液中提取木質素，經(jīng)過熔紡和碳化合成每公斤低至4-5美金的低成本碳纖維。陶氏化學將聚乙烯等纖維在無氧狀態(tài)碳化后，將碳纖維平面排列或編織成片，用樹脂加固后制成碳纖維材料，成本降低了一半。東麗公司采用高與超高分子量混合聚合體，用溫度致變及力致變凝膠化紡絲方法紡絲，創(chuàng)新工藝可提高紡速百倍以上，制備了高強、高模且低成本的PANCF原絲。美國ORNL用新型微波等離子源碳化技術高速制備低成本碳纖維；寶馬利用成本僅3美分/kwh水力發(fā)電能源制碳纖維，成本降低到20%。

為縮短生產(chǎn)循環(huán)周期，當前有高壓樹脂傳遞模塑成型技術（HP-RTM）、熱塑性基體材料預浸料技術及短周期RTM工藝。寶馬與西格里合作開發(fā)新型環(huán)氧樹脂，固化時間僅為2min和5min，通過采用壓力高達2900psi（203kg/cm2），注射速率為200g/s的HP-RTM技術，樹脂系統(tǒng)、工藝和模具設計正確組合，實現(xiàn)了“一分鐘循環(huán)周期”。通用汽車公司與帝人公司聯(lián)合采用短時間可進行交聯(lián)或固化的熱塑性基體材料預浸料復合材料加工技術。戴姆勒公司和東麗工業(yè)采用“短周期RTM”工藝，也大幅縮短了碳纖維材料循環(huán)周期。
在優(yōu)化材料設計及工藝開發(fā)方面，目前行業(yè)內(nèi)采用了SMC成型加工技術、快速鋪層技術、3D打印技術、碳纖維連接技術、模塊化制造創(chuàng)新技術。戴姆勒公司和克萊斯勒公司通過重疊加料，將碳纖維和玻纖SMC材料技術相結合，零件數(shù)量減少，重量減輕的同時剛度提高22%。在快速鋪層技術方面，目前有一種三維預成型創(chuàng)新技術，這是為層壓復合材料生產(chǎn)織物層的新方法，采用類似尼龍搭扣的形式在Z軸方向以鉤-環(huán)鎖扣將相鄰織物層進行連接。與原來復雜、耗時、需勞動密集型手工鋪層并且低強度高成本的Z-pins嵌入全厚度縫合三維預成型技術不同的是，這種新型鉤-環(huán)搭接的“互鎖型”技術可進行自動化操作更方便快捷，巡回周期低至90s，其撕裂強度可提高近1倍，耐壓強度提升20%，剪切強度提高15%、沖擊強度提升近1倍。直接成產(chǎn)成本降到一半，間接成本也低至原來的三分之一。

美國橡樹嶺國家實驗室用熔融沉積3D打印技術將碳素纖維顆粒打印為一體式汽車底盤。剛度提高了5-7倍且強度是原來的3倍，提升汽車零部件性能的同時大幅減少了加工時間。在碳纖維連接技術上，目前有集散板熔融、震動熔融、超聲波熔融一體加熱、加壓連接法。通過一體化加工，增加結合部位碳纖維體積分數(shù)，提高了強度避免了開裂。在模塊化制造方面，采用自動化加工方法，將多個金屬部件轉變?yōu)槟K化復合材料部件，車身零部件數(shù)量降至1/10。既減重又縮短了生產(chǎn)循環(huán)周期。此外，我國也研發(fā)出碳纖維增強熱塑性復合材料結構件成型關鍵技術，中科院寧波材料所在復合材料體系、設計技術、熱壓成型工藝、液態(tài)成型工藝、連接技術以及關鍵裝備等方面都取得重要成果。